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機(jī)器人安全氣囊引爆組件柔性制造檢測系統(tǒng)

文檔作者：孫勤，陳哲希，林瓊，吳陳釧文檔來源：上海電氣自動化設(shè)計研究所有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年12月06日
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機(jī)器人安全氣囊引爆組件柔性制造檢測系統(tǒng)
孫勤，陳哲希，林瓊，吳陳釧
(上海電氣自動化設(shè)計研究所有限公司，上海200023)
摘 要：汽車安全氣囊引爆組件機(jī)器人自動生產(chǎn)系統(tǒng)是通過一臺工業(yè)機(jī)器人與注塑機(jī)配合完成。原料與注塑后的產(chǎn)品分別通過兩套 工業(yè)相機(jī)進(jìn)行檢測。通過可編程的機(jī)器人和視覺相機(jī),操作人員可以從觸摸屏上選擇不同的產(chǎn)品型號,PLC會調(diào)用相應(yīng)的機(jī) 器人和視覺檢測程序，以完成各類產(chǎn)品的周期生產(chǎn),實現(xiàn)了氣囊組件柔性制造的需求。
關(guān)鍵詞：柔性制造;安全氣囊;工業(yè)機(jī)器人;視覺檢測;可編程邏輯控制器
DOI: 10.3969/j ? issn. 1000 - 3886.2014.05.030
［中圖分類號］TP23 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號］1000 -3886(2014)05 -0085 -03
An Inspection System for Robot Flexible Manufacturing of Airbag Trigger Components
SUN Qin, CHEN Zhe-xi, LIN Qiong, WU Chen-chuan
(Shanghai Electrical Automation Design and Research Institute Co^ Ltd., Shanghai 200023 , China)
Abstract : On the automatic robot production line for automobile air bag trigger components operate an industrial robot and a mold machine. The raw material and the product after injection are inspected each by an industrial vision camera. By means of the programmable Robot and vision camera, the operator can choose different types of products via the touch - panel and the PLC will call corresponding robot and vision inspection program to complete manufacturing circles for various types of products, thus satisfying the demand on manufacturing of air bag components.
Keywords: flexible manufacturing; automobile airbag; industrial robot; visual inspection; programmable logic controller 
o引言
汽車安全氣囊是人們在汽車碰撞事故中，為保證乘員的生命 安全，減少因事故造成的人員傷亡而研究開發(fā)的汽車安全保護(hù)裝 置。如今汽車安全氣囊對減少汽車碰撞造成的人員生命財產(chǎn)損 失起到了越來越重要的作用，據(jù)專家測算，在汽車安裝安全氣囊 后，當(dāng)發(fā)生汽車碰撞事故中，乘員的生還率可以提高70%以上， 若碰撞發(fā)生在汽車前部,裝有安全氣囊的汽車駕駛員，其死亡率： 大客車降低30%，中客車降低11%，轎車降低14% ［1］。
在汽車安全氣囊生產(chǎn)過程中，引爆組件是安全氣囊裝置中的 核心組件，它的作用是引燃產(chǎn)生氣體的藥粉，保證氣囊可以以足 夠快的速度產(chǎn)生足夠體積的氣體，引爆組件最突出的特點是燃爆 品，可以在幾段的時間(0.03 - 0.05 s)內(nèi)使環(huán)境發(fā)生劇烈變 化⑵。它是由一塊用于裝填炸藥粉的金屬底盤和一枚帶有兩個 針腳的引爆器通過注塑組成。本系統(tǒng)由1臺工業(yè)機(jī)器人配合1 臺注塑機(jī),并通過2套工業(yè)相機(jī)及傳感器檢測，完成引爆組件的 周期生產(chǎn)。由于市場上汽車類型繁多，為了匹配不同類型汽車的 使用需求，引爆組件被制作成外形顏色各異的許多種類。為了滿 足該產(chǎn)品多品種柔性制造的需求，系統(tǒng)通過在HMI觸摸屏上選 擇不同的組件型號，使系統(tǒng)調(diào)用不同的機(jī)器人及工業(yè)相機(jī)檢測程 序，從而達(dá)到一機(jī)多用的生產(chǎn)需求。
1系統(tǒng)框架
安全氣囊引爆組件制造系統(tǒng)是由1臺雙模注塑機(jī)、1臺
定稿日期：2014-08 -12
甚金項目：本項研究工作得到了上海市科學(xué)技術(shù)委員會的資助，資助課 題編號為12DZ2250900

FANUC LR Mate - 200iC工業(yè)機(jī)器人、1套HMI觸摸屏及2套 COGNEX In - sight系列工業(yè)相機(jī)組成。通過PLC控制,機(jī)器人 自動為注塑機(jī)上下料,并由兩套工業(yè)相機(jī)對原料及成品進(jìn)行質(zhì)量 檢測。如圖1所示，控制裝置使用AB公司的1756系列PLC (Programmable Logic Controller)，注塑機(jī)通過 I/O 電纜接入 PLC 模塊，機(jī)器人通過DeviceNet總線接入PLC.2套工業(yè)相機(jī)及觸摸 屏通過以太網(wǎng)接入PLC0 DeviceNet是由羅克韋爾旗下Allen - Bradly公司研制開發(fā)，DeviceNet的數(shù)據(jù)鏈路層完全遵循CAN (Controller Area Network)規(guī)范的定義,并通過CAN控制器芯片實 現(xiàn)⑶o機(jī)器人使用DeviceNet總線連接PLC,具有可擴(kuò)展、效率高 等特點。連接時，首先需要在PLC端導(dǎo)入FANUC機(jī)器人的EDS 文件,EDS文件記錄了 DeviceNet網(wǎng)絡(luò)上設(shè)備通信的屬性,包括傳 輸速率，輸出類型等。然后在機(jī)器人端將I/O分配到DeviceNet 網(wǎng)絡(luò)地址上，機(jī)器人外部輸入信號如表1所示，外部輸出信號如 表2所示。
注塑前后原料及成品的檢測是通過兩套康耐視In - Sight系 列工業(yè)相機(jī)完成?？的鸵暿亲钕冗M(jìn)的視覺工具之一，其技術(shù)已廣 泛地用于工業(yè)生產(chǎn)中?？的鸵曄到y(tǒng)的硬件部分有智能圖像傳感 器及配套照明系統(tǒng)、I/O模塊和以太網(wǎng)串行轉(zhuǎn)換器；軟件部分有 內(nèi)嵌圖像處理軟件Intellect,該系統(tǒng)可以方便地制作圖像處理產(chǎn) 品⑷。兩套工業(yè)相機(jī)的檢測數(shù)據(jù)是通過以太網(wǎng)傳輸給PLC。將 相機(jī)設(shè)置成同PLC相同的網(wǎng)段中，完成連接。工業(yè)相機(jī)的輸入 是通過將PLC傳輸來的數(shù)據(jù)讀取后放入程序中設(shè)定的Formatln- putBuffer中，輸出則是將檢測好的數(shù)據(jù)放入程序FormatOutput- Buffer中，然后PLC從緩沖器中讀取。數(shù)據(jù)輸入包括了當(dāng)前需要 檢測的產(chǎn)品型號、檢測位信號，輸出則包括各項任務(wù)的檢測結(jié)果。 
 
輸入輸出都是以32位整數(shù)的形式傳輸。除了通過以太網(wǎng)連接， 工業(yè)相機(jī)還需使用離散I/O向PLC傳輸2個自定的專用信號，包 括了相機(jī)的運行狀態(tài)和程序處理情況。這些信號都接入AB公 司1734 - AENT遠(yuǎn)端模塊上的輸入模塊中。1734 - AENT則通過 以太網(wǎng)完成連接”

圖1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接圖
表1機(jī)器人外部輸入(UI)信號配置
UI號	信號名稱	信號內(nèi)容
UI[1]	* 1MSTP	緊急停機(jī)信號
UI[2]	* HOLD	暫停信號
UI[3]	? SFSPD	安全速度信號
UI[4]	CSTOPI	周期停止信號
UI[5]	FAULT_RESET	報警復(fù)位信號
UI[6]	START	外部啟動信號
UI⑻	ENBL	使能信號
UI[9]	RSR1/PNS1	程序號選擇信號
UI[10]	RSR2/PNS2	程序號選擇信號
UI[11]	RSR3/PNS3	程序號選擇信號
UI[12]	RSR4/PNS4	程序號選擇信號
UI[17]	PNSTROBE	PNS濾波信號
表2	機(jī)器人外部輸出(UO)信號配置
UO號	信號名稱	信號內(nèi)容
UO[1]	CMDENBL	命令使能信號輸出
U0[6]	FAULT	錯誤輸出
U0[9]	BATALM	電池報警輸出
U0[10]	BUSY	處理器忙輸出

系統(tǒng)使用AB公司PANEL View系列觸摸屏.觸摸屏是人機(jī) 互動的媒介觸摸屏通過以太網(wǎng)連接PLC,操作人員可以通過觸 摸屏更換生產(chǎn)型號,啟動機(jī)器人特定程序，并可實時讀取檢測 數(shù)據(jù)。
2生產(chǎn)流程
汽車安全氣囊引爆組件生產(chǎn)系統(tǒng)是以工業(yè)機(jī)器人為主體，為 注塑機(jī)自動上下料，配以視覺系統(tǒng)檢測來完成的。系統(tǒng)使用的是 1臺雙模注塑機(jī),2個模具可以旋轉(zhuǎn)交互運作，這樣就可以實現(xiàn)上 料和注塑同時進(jìn)行,每個模具中有4個注塑腔，每個注塑腔的中 央都有2個小孔。上料時，機(jī)器人通過特制的手爪將4個底盤同 時放人4個注塑腔中,然后將4個引爆器同時插入小孔中”由于 引爆組件是安全氣蟆的核心部件，其原料的使用和成品的質(zhì)量都 需要嚴(yán)格把控。所以當(dāng)機(jī)器人為注塑機(jī)上料完畢后，需要1套彩 色200萬像素的COGNEX工業(yè)相機(jī)對原料進(jìn)行檢測，原料檢測 相機(jī)安裝于注塑機(jī)頂端，對注塑機(jī)模具上的4個注塑腔一次性全 部檢測。檢測通過后，注塑機(jī)開始注塑。當(dāng)注塑完成后，機(jī)器人 取出成品,并通過1臺彩色30萬像素相機(jī)對成品的注塑質(zhì)量進(jìn) 行檢測。成品檢測相機(jī)安裝于注塑機(jī)旁-?側(cè)，機(jī)器人將手爪中4 個成品移動到相機(jī)鏡頭面前逐一進(jìn)行檢測

圖2機(jī)器人周期流程圖
系統(tǒng)使用FANUC I.R Mate -2001C工業(yè)機(jī)器人，該型號機(jī)器 人為6自由度中小型機(jī)器人，臂長704 mm,最高運行速度4 000 mm/s,手臂負(fù)重5 kg,重復(fù)定位精度±0.02 mm⑶，完全可以精確 地將引爆器引腳插入模具孔中。機(jī)器人是通過PNS方法被PLC 調(diào)用。在每個生產(chǎn)周期，機(jī)器人都會被調(diào)用1次，通過Devi- ceNet,機(jī)器人會從PLC接受注犁機(jī)運轉(zhuǎn)信號，光柵信號，傳感器 信號及成品質(zhì)量是否通過信號”其1個周期的運轉(zhuǎn)流程如圖2 所示。
3視覺系統(tǒng)檢測
3.1原料檢測相機(jī)
在注塑機(jī)啟動注塑前，原料檢測相機(jī)需對模具中的金屬底盤 和引爆器進(jìn)行檢測。檢測要求隨著不同的型號會有變化，通過接 收PLC發(fā)來的選型信號，相機(jī)內(nèi)部會調(diào)用不同的檢測程序。其 需要實現(xiàn)的功能如下：
(1)	機(jī)器人擺放原料到模具前:保證模具內(nèi)沒有干涉物
(2)	機(jī)器人擺放原料到模具后：檢測金屬底盤是否存在，金 屬底盤擺放是否歪斜，引爆器是否存在,引爆器顏色是否正確
機(jī)器人擺放原料到模具前要確保模具里沒有干涉物。相機(jī) 通過對模具上4個空腔內(nèi)的固有黑色圖形進(jìn)行識別學(xué)習(xí)，當(dāng)有金 屬底盤或其它干涉物覆蓋在上面時，相機(jī)便無法檢測到該圖形， 這樣便阻止機(jī)器人進(jìn)行上料.保證生產(chǎn)安全。機(jī)器人擺放好原料 后會觸發(fā)相機(jī)拍照，得到如圖3的照片。
 
圖3原料檢測相機(jī)圖像捕捉

相機(jī)通過建立一個顏色庫(TrainExtractColor)來與模具上的 四個引爆器顏色做匹配，若檢測出的顏色與生產(chǎn)所需的顏色匹 配，則說明引爆器存在并且顏色正確；若檢測出的顏色與所需的 顏色不匹配，則說明引爆器顏色錯誤;若檢測的顏色無法在顏色 庫里找到.則說明引爆器沒有準(zhǔn)確插到指定位置。
通過使用FindPattem識別模具空腔內(nèi)的固有圖形可以判斷 金屬底盤是否存在，若匹配到固有圖形，則該腔為空，金屬底盤不 存在;若無法匹配，則說明金屬底盤已將圖形覆蓋住.金屬底盤 存在。金屬底盤是否放歪斜是通過FindLine找出每個底盤的左 右兩個邊和底邊，并計算出左邊界和底邊的交點坐標(biāo)及右邊界 與底邊的交點坐標(biāo).然后再分別計算這兩個點到模具底部邊沿 的垂直距離,通過比較距離，可以計算檢測出金屬底盤是否放 置準(zhǔn)確。
3.2成品檢測相機(jī)
成品因為注毀機(jī)每次注魁情況、溫度髙低的不同會有差異， 所以需要進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量監(jiān)控，對于不合格的產(chǎn)品需要通知機(jī)器 人廢棄處理”成品相機(jī)通過一個結(jié)構(gòu)光源橫向安裝于注塑機(jī)側(cè) 邊，機(jī)器人會將成品放到相機(jī)面前,一邊移動一邊逐一觸發(fā)相機(jī) 捕捉照片,對于不同型號的產(chǎn)品，成品相機(jī)也將調(diào)用不同的程序。 其檢測需要實現(xiàn)的功能如下：
(1)	檢測要求產(chǎn)品注蜩不良、注塑毛邊毛刺、注塑顏色、 引腳歪斜、引腳裝配不到位、引腳方向反、部件漏裝。
(2)	檢測速度小于0.5 s檢測一次。
(3)	檢測精度 ±0.2 mm。
通過圖像捕捉，成品檢測相機(jī)可以得到如圖4所示的成品 圖像。由于機(jī)器人每次定位略有不同，成品在圖像上的位置也 會有偏移。因此需要通過FindCircle取得成品外圓輪廓的圓 心，以其作為檢測項目的參照點。引腳檢測是成品質(zhì)量的最重 要指標(biāo)，引腳的檢測可以通過ExtractBlob工具取得兩個斑點 PIN1和PIN2的中心數(shù)據(jù),若找到的斑點數(shù)不足2個，則說明引 腳有缺失。然后運用PointToPoint I：具測得兩斑點中心之間的連 線長度厶，分別作圓心到兩斑點中心距離厶和2,然后根據(jù)式 (1)，若差值L?超過規(guī)定范圍，則表示2根引腳與圓心直線度不 符合規(guī)定。
Lo = (£, +£2) -Z	(1)
注塑質(zhì)量是以參照圓為基準(zhǔn)，使用ExtractBlob工具檢測圓外 注塑飛邊的像素總值，若大于規(guī)定像素量，則判別注塑情況不良； 注塑顏色是通過建立顏色庫，與成品注塑顏色進(jìn)行比較，可以判 別注塑顏色是否準(zhǔn)確。工業(yè)相機(jī)會將所有檢測結(jié)果發(fā)送給PLC, PLC將結(jié)果統(tǒng)一處理后，若有一項不合格便會通知機(jī)器人廢棄該 成品。

圖4原料檢測相機(jī)圖像捕捉
4結(jié)束語
汽車安全氣囊引爆組件制造系統(tǒng)通過使用可拓展的總線連 接，可編程的工業(yè)機(jī)器人及工業(yè)相機(jī)，通過在觸摸屏上選擇不同 的型號,PLC可以快速地做出反應(yīng)，調(diào)用不同的機(jī)器人上下料程 序及視覺檢測程序，完成各種各樣引爆組件型號的生產(chǎn),滿足當(dāng) 下汽車行業(yè)需求種類繁多，產(chǎn)品柔性制造的需求。
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【作者簡介】孫勤(I960 -),男，上海人，本科，上海電氣自動化設(shè)計研究 所有限公司高級工程師，主要從事自動控制，機(jī)器人開發(fā)與應(yīng)用等方面的 研究。

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